第5章电动机的控制系统资料
第5章 异步电动机电压-频率协调控制
u an = 2U d 1 1 1 1 sin ω1t + sin 5ω1t + sin 7ω1t + sin 11ω1t + sin 13ω1t + ... π 5 7 11 13
它的相电压有效值Ua=0.471Ud， U 相电压基波有效值Ua1=0.45Ud（√2Ud /π ）。 对图5-2所示逆变器线电压uab进行傅立叶分析，得
图5-6 给定积分器原理电路
2.函数发生器（GF）
函数发生器的功能是实现调速时V/f协调所需要的函 数关系，它的工作原理示于图5-7 中。 对运算放大器A的虚地点列电流平衡方程式，可推导 出函数发生器输出Uo和输入Ui之间的关系式为
R2 + R p 2 R2 + R p 2 U o = −U i +Uk R1 R5
5.4 谐波的影响 电动机期望有正弦电压和正弦电流，但是 前述方波或者准方波逆变器所产生的却不是正 弦波，这对电动机的运行有什么影响呢？应用 傅立叶分析的方法对方波或准方波进行分解， 可以得到有用的基波和不期望的谐波。一般说 来，谐波有四个有害的影响，它们是： 转矩脉动 谐波发热 参数变化 噪音
1.转矩脉动(torque pulsation)
图5-7 函数发生器原理电路
3.电压频率转换器（GVF）
电压频率转换器的功能是将与速度给定对应的电压 Ui输入信号转换成相应频率f0的输出脉冲信号。对它的基 本要求是：有比较好的稳定性；有满足要求的线性控制 范围。
图5-8 电压频率转换器原理电路
4.环形分配器（DRC）
图5-9 环形分配器原理电路
D端输入状态 Qn Qn+1 ----------------------------------------1 0 1 0 0 0 1 1 1 0 1 0 ------------------------------------------
简述电机控制系统组成和主要功能
简述电机控制系统组成和主要功能下载提示：该文档是本店铺精心编制而成的，希望大家下载后，能够帮助大家解决实际问题。
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第5章无刷直流电动机控制系统
图5-4 霍尔传感器的三相波形（120度）
三、三相直流无刷电动机的换相原理
图5-4表明，三相永磁无刷直流电 动机转子位置传感器输出信号Ha、 Hb、Hc在每360°电角度内给出了6 个代码，按其顺序排列，6个代码 是101、100、110、010、011、001。 当然，这一顺序与电动机的转动方 向有关，如果转向反了，代码出现 的顺序也将倒过来。 图5-5是三相永磁无刷直流电动机 的电子换向器主回路，也就是由6 只功率开关元件组成的三相H转子是由永磁材料制成的，是具有一定磁极对数的永磁体。 无刷直流电动机为了去掉电刷，将电枢放到定子上去，但是这样定 子上的电枢通过直流电后，只能产生恒定的磁场，电动机依然转不起来。 为了使电动机转起来，必须使定子电枢各相绕组不断地换相通电，这样 才能使定子磁场随着转子的位置在不断地变化，使定子磁场与转子永磁 磁场始终保持90°左右的空间角，产生转矩推动转子旋转。
B
Z
2 3 1 A 4 6
X
5
C
Y
图5-6 三相永磁无刷直流电动机 绕组结构图
可以通过两种不同的途径来分析无刷电动机的换相过程：
Ø 第一条途径是：利用“定子空间的扇区图” 来分析换相过程（6个扇 区对应6个代码） （p148）， ； Ø 第二条途径是：通过分析电动机的三相反电动势来理解换相过程。
运用“定子空间扇区图”可以分析三相无刷直流电动机在360º 电角度内的换 相过程，从分析可以看出，定子的磁场是步进地、跨越地前进的，每步跨越60º 电角度，而转子当然是连续地运行的。 从分析三相无刷直流电动机的三相反电势的角度，同样也可以理解其换相 过程。基本思路是这样的：为了获得最大的转矩，应当使每相的反电势与该相的 电流的相位相同。 无论是从“定子空间扇区图”还是从电动机定子绕组的反电势来分析三相 无刷电动机的换相过程，所得出的开关管的导通和关断状态与转子位置的关系都 是相同的。
电动机控制系统工作原理
电动机控制系统工作原理电动机控制系统是指对电动机进行控制和管理的一套系统，其工作原理是通过控制电源电压、电流和频率等参数，以实现对电动机速度、方向和转矩等性能的精确控制。
本文将介绍电动机控制系统的工作原理及其基本组成部分。
一、直流直流电动机控制系统是电动机控制系统中最常见和常用的一种类型。
其工作原理基于直流电机的特性，可分为电阻调速、励磁调速和PWM调速等方式。
1. 电阻调速方式电阻调速是通过加入外部可调电阻来改变电动机回路中的电阻，从而改变电动机的转矩和速度。
通过改变电阻的大小，可以调整电动机输出的转矩和速度。
电阻调速方式简单实用，但效率较低。
2. 励磁调速方式励磁调速是通过改变电动机的励磁电流来调整电动机的转矩和速度。
励磁调速方式具有响应速度快、控制精度高的特点，但也存在励磁能力有限的缺点。
3. PWM调速方式PWM调速方式是通过改变电动机供电电压的脉冲宽度来控制电动机的转矩和速度。
通过不断调整脉冲宽度，可以实现对电动机的精确控制。
PWM调速方式具有高效、精准的特点，被广泛应用于各种工业控制场景中。
二、交流交流电动机控制系统是对交流电动机进行控制和管理的一种方式。
交流电动机控制系统采用变频器作为主要控制设备，通过改变电源电压和频率，实现对电动机转速、转向和转矩等性能的精确控制。
变频器是一种能够改变电源频率和电压的装置，通过调整输出电压的频率和幅值来改变电动机的运行状态。
交流电动机控制系统通过变频器控制电源电压和频率，实现对电动机速度的精确调节。
变频器可以根据需要调整电源频率和电压，同时也能提供对电动机的保护功能。
三、电动机控制系统的基本组成部分1. 控制器控制器是电动机控制系统中的核心部件，负责接收控制信号并产生相应的控制动作。
控制器可以是硬件或软件实现的，其功能包括调速、转向、起停等。
2. 传感器传感器用于感知电动机的状态和环境参数，通过传感器采集到的数据，控制器可以实时了解电动机的运行情况，并做出相应的控制决策。
华科 第5章(电力拖动控制系统)
U1 ( s )
WMA ( s )
n( s )
U n ( s)
U 1
6 pU1 A s A 1r2
+ -
T
-
TL
+
3 pU12A 12 r2
p Js
U 1
2 s A1 / U1 A J 12 r2 s 1 3 p 2U12A K MA TM s 1
3．风机、泵类的调速节能
风机、泵类的调速节能是调压调速系统应用得最多的领域之一。
风机、泵类的调速节能
应用条件——风机、水泵用不调速的交流电机，依赖于风门档板和阀 门来调节流量，使大量的电功率白白消耗在档板和阀门上。
选用的理由——风机、水泵的转矩与转速平方成正比，功率与转速立方 成正比，因此对调速范围的要求不大，调速的精度要求也不高，动态响应 更是几乎没有要求，这些特征都使廉价的交流调压调速系统成为风机、水 泵调速改造的首选系统。 节能原理——当转速下降时，电机损耗增加，效率降低，电机本身在 这个过程中不但没有节能，反而是增加了损耗。但风机、水泵节省的能 量大于电机所增加的损耗，从总体效果上看是节能了。
5.2.6 交流调压调速系统的效率及电机冷却 Pmec P2 效率及电机发热 1 s P Pem 1
当电动机转速降低（s增大）时，电动转子铜耗增加，电动机的 效率下降，电动机的发热将增加。 电机冷却
交流力矩电机：电动机的设计就允许电机长期堵转运行，电机出厂时就带有他扇冷 式的强迫通风系统，对这类电动机不用再考虑发热问题。 低转差率电机：电机只能在转差小于额定转差下连续运行，低速运行时一方面电 机发热增加，另一方面因转速降低，转轴上风扇的通风效果减弱，使电机会产生 过热。这类电机只能短时间内低速运行，或应重新考虑电动机的散热条件，防止 电机过热而烧毁。 高转差率电动机：介于上述两种电机之间，使用中根据实际的工况来决定是否需 要加强电动机通风冷却系统。
第5章三相永磁同步电动机直接转矩控制
第5章 三相永磁同步电动机直接转矩控制
te p
1 f s sin sf Ls
(5-5)
式(5-5)中， 转子磁链矢量 ψ f 的幅值不变， 若能控制定子磁链矢量 ψ s 的 幅值为常值，电磁转矩就仅与 sf 有关， sf 称负载角，通过控制 sf 可 以控制电磁转矩，这就是 PMSM 直接转矩控制基本原理。 在 ABC 轴系中，定子电压矢量方程为
便成为式(5-5)的形式。虽然插入式和内装式 PMSM 产生了磁阻转矩，但是两者直 接转矩控制原理相同。 电动机电磁功率可表示为
p e t e Ωs
(5-23)
式中， Ωs 为机械角速度， Ωs ωs p 。
13
现代电机控制技术
第5章 三相永磁同步电动机直接转矩控制
在正弦稳态下， ωr ωs ， e0 ωs f ；在忽略定子电阻 Rs 情况下，
第5章 三相永磁同步电动机直接转矩控制
5.1 控制原理与控制方式
5.1.1 转矩生成与控制 5.1.2 滞环比较控制与控制系统 5.1.3 磁链和转矩估计 5.1.4 电机参数和转速影响 5.1.5 预期电压直接转矩控制
3
现代电机控制技术
第5章 三相永磁同步电动机直接转矩控制
5.1.1 转矩生成与控制
δsr 为定子磁链矢量 ψ s 与转子磁链矢量 ψ r 间的相位差。
10
现代电机控制技术
第5章 三相永磁同步电动机直接转矩控制
2. 插入式和内装式 PMSM
对于插入式和内装式 PMSM，由式(3-57)已知，电磁转矩方程为
t e p[ f iq ( Ld Lq )id iq ]
(5-15)
(5-16) (5-17)
第五章交流伺服电动机
圆形磁场
3.幅值相位控制（电容控制）
激磁回路串联电容后接到相位和幅值都不变的激磁电源， 当改变控制电压幅值时，由于激磁回路电流发生变化，使激 磁绕组及其串联电容上的电压分布发生变化，从而使控制电 压与激磁绕组上的电压间的相位角也发生变化。
普通高等教育“十一五”国家级规划教材
n0 n s 100% 1000 975 100% 2.5% 1000 n0
交流伺服电动机的机械特性如图所示。 n
o
T 不同控制电压下的机械特性曲线 n=f(T), U1=常数
在励磁电压不变的情况下，随着控制电压的 下降，特性曲线下移。在同一负载转矩作用时， 电动机转速随控制电压的下降而均匀减小。
2.伺服电动机和伺服系统
2.4 交流伺服电机(AC Servo Motor)
结构特点和工作原理
交流伺服电机通常都是两相异步电机，在定子上有两个 空间相距90度的绕组，即控制绕组和励磁绕组。
f1
c1
c2
f2
普通高等教育“十一五”国家级规划教材
2.伺服电动机和伺服系统
工作原理：
与普通两相异步电机的相似之处：在二相对称绕组中通入 两对称电流，就会在气隙中产生圆形旋转磁场，转子导体 切割磁场所感应的电流与气隙磁磁场相互作用就产生电磁 转矩。当改变其中一相电流的大小或相位时，气隙磁场就 发生变化，电磁转矩随之变化，电机转速必然跟着改变， 从而实现对转速的控制。 区别：由于伺服电动机在自动控制系统中作为执行元件。 对其要求是：(1)转子速度的快慢能反应控制信号的强弱， 转动方向能反应控制信号的相位，调速范围要宽；（2） 无控制信号时，转子不能转动；（3）当电机转动起来以 后，如控制信号消失，应立即停止转动；（4）为减小体 积和重量，一般采用400、500 或1000Hz。
第5章 三相异步电动机的基本原理(电机及拖动基础)
第五章三相异步电动机的基本原理主要讲授内容：三相异步电动机的工作原理、结构、运行特性、等效电路、参数测量、转矩转差的关系等，是必须掌握的内容，使本课程的重点。
是在现代工业中正被大量应用的机电能量转换装置，是后续课程《电力拖动》课程的基础。
讨论：三相异步电动机What？三相异步电动机的用途、结构？How？三相异步电动机的工作原理？第一节三相异步电动机的结构及额定参数一、异步电动机的主要用途和分类用途：异步电机主要用作电动机，拖动各种生产机械。
异步电动机的优点：结构简单、容易制造、价格低廉、运行可靠、坚固耐用、运行效率较高和具有适用的工作特性。
采用现代电力电子功率器件和计算机技术可得到良好的调速性能。
已经取代直流电动机，成为应用广泛的调速系统。
异步电动机的缺点：功率体积比较小。
功率因数较差。
直接接电网运行时，必须从电网里吸收滞后的励磁电流，使它的功率因数总是小于１。
通过控制器可以使这一缺点得到改善。
异步电动机运行时，定子绕组接到交流电源上，转子绕组自身短路，由于电磁感应的关系，在转子绕组中产生电动势、电流，从而产生电磁转矩。
所以，异步电机又叫感应电机。
二、异步电动机的分类从不同角度看，有不同的分类法：（1）按定子相数分有①单相；②三相异步电动机。
（2）按转子结构分有①绕线式；②鼠笼式。
后者又包括单鼠笼、双鼠笼和深槽式异步电动机。
此外，根据电机定子绕组上所加电压的大小，又有高压、低压异步电动机之分。
从其它角度看，还有高起动转矩、高转差率、高转速异步电机等等。
异步电机也可作为异步发电机使用。
单机使用时，常用于电网尚未到达的地区，又没有同步发电机的情况，或用于风力发电等特殊场合上。
在异步电动机的电力拖动中，异步电机回馈制动时，即运行在异步发电机状态。
风叶铁心绕组轴承滑环绕线电动机转子笼型绕组导条端环1、异步电动机的定子：异步电动机的定子是由机座、定子铁心和定子绕组三个部分组成的。
（1）定子铁心：是电动机磁路的一部分，装在机座里。
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管式熔断器
插入式熔断器
熔体: 符号: FU
熔断器的选择方法：
熔断器额定电流IRN的选择 (1) 电灯、电炉等电阻性负载
IRN > IN
(2) 单台电机
IRN 电动机的起动电流 Ist .
1.5 ~ 2 . 5
频繁起动 IRN （3.5 ~ 4）*电动机的额定电流 IN
(3)多台电动机
IRN Is t m IN
1. 按国家规定的电工图形符号和文字符号画图。
2. 电路由主电路(用粗线画于左方或上方) 和控制电路 (用细线画于右方或下方)组成。
3. 属同一电器元件的不同部分(如接触器的线圈和 触点)按其功能和所接电路的不同分别画在不同 的电路中，但必须标注相同的文字符号。
4. 所有电器的图形符号均按无电压、无外力作用下 的正常状态画出，即按通电前的状态绘制。
2. 5
5. 交流接触器（自动控制电器）
用于频繁地接通和断开大电流电路的开关电器。
交流接触器的外形
工作原理
符号
KM 线圈 动合（常开）触点 KM 动断（常闭）触点 KM
6. 热继电器（自动控制、保护电器）
用于电动机的过载保护。
~
双金属片
动断触点
符号： 发热元件 FR
动断触点 FR
发热元件
杠杆
第5章 电动机的继电接触控制系统
继电接触器控制：
对电动机的控制常要用到开关、继电器及接触 器等控制电器组成的控制电路——这种控制电路称 为继电接触器控制系统，来控制电机的启停和正反 转。
5.1 常用低压电器 5.2 电动机的继电接触控制环节
5.1 常用低压电器
低压（控制）电器分类：
动作性质
手动切换电器: 开关、按钮等。 自动切换电器：接触器、继电器等。
KM2
KM1 KM2 电气联锁
利用复 合按钮的触 点实现联锁 控制称机械 联锁。
鼠笼式电动机正反转的控制线路
下图所示的鼠笼式电动机正反转控制线路中有几
5. 与电路无关的部件(如铁心、支架、弹簧等) 在控 制电路中不画出。
分析和设计控制电路时应注意以下几点：
(1) 尽可能避免多个电器元件依次动作才能接通另一 个电器的控制电路。
(2) 必须保证每个线圈的额定电压，不能将两个线圈 串联。
6.2 鼠笼式电动机继电接触控制的基本环节
6.2.1 基本控制环节 1. 点动控制电路 2. 直接起动单向连续运转控制电路 3. 正反转控制电路
控制电器：执行控制功能。 功能 保护电器：执行短路、过载时的保护功能。
5.1.1 常用控制和保护电器
1. 刀开关 (手动控制电器） 1）结构与符号
2）刀开关的功能 主要做电源的隔离开关，也可对7.5KW以下的电
动机实现手动起停控制。
2. 组合开关（又称转换开关） (手动控制电器）
由静触片、动触片 组装在绝 缘盒而成的。
结构图
工作原理
发热元件接入电机主电路，若长时间过载，
双金属片被加热，向上弯曲，直到托扣。
动断（常闭）触点断开。
I
I
7.自动空气断路器（自动控制、保护电器）
自动空气断路器也叫自动开关或空气开关，可实现短 路、过载和失压保护。是常用的多性能低压保护电器。
自动空气断路器的结构形式很多。下面是其一般原理图。
②过载保护：为防止三相电动机长期过载运行 超过允许温升而损坏。常采用热继电器FR来实现 过载保护。
③欠压和失压保护：失压(零压)是指电源电压 消失而使电动机停转，在电源电压恢复时，电动机 可能自动重新起动(亦称自起动)，易造成人身或设 备故障。接触器KM就可实现这种保护。
3.电动机正反转的控制电路
动触点装在转轴上，手柄转 动转轴使动触片与静触片接通与 断开。
可由数层组合而成。 可实现多条线路、不同联接 方式的转换。
常用于机床控制电路的电源开 关，也用于小容量电动机的起 / 停 控制或照明线路的开关控制。
M 3~
用组合开关起停电动机的接线图
3. 按钮(手动切换电器)
按钮常用于控制小电流电路的接通和断开。 按钮的外形图和结构如图所示。
SB1
KM
SB2 KM KM
FR
M 3～
4) 短路、过载和欠压保护环节
①、短路保护环节 ——由FU实现
FU
Mn 3~
②、过载保护环节 ——由FR实现
FR Mn 3~
③、欠压（失压）保护环节
——由KM实现
S FU
SB1 KM
FR
Mn
3~
① 短路保护：在电路发生短路事故时要求迅速、 可靠切断电源。采用熔断器 FU来实现短路保护。
KM2 KM1
通电
.
闭合
. . KM1 SB2
KM1 KM2
缺点： 改变转向时必须 先按停止按 钮。
断电
KM2 断开
在同一时间内，两个接触器只允许一个通电工 作的控制作用，称为“联锁”。
利用接触器的动断辅助触点实现联锁控制称电气联锁。
控制电路加入机械连锁。
SB
SB1 机械联锁KM2 KM1
KM1 SB2
(a) 外形图
(b) 结构
按钮开关的符号：
结
构1
2
符 SB
号
名 常闭按钮 称 (动断按钮)
3
4
SB
常开按钮 (动合按钮)
按钮帽
复位弹簧 支柱连杆
常闭静触头
1
2
动触头
3
4
常开静触头
外壳
SB
动作时， 先断后通
复合按钮
4. 熔断器（短路自动保护电器）
作用： 用于低压线路中的短路保护。 形式：
插入式 熔断器
主触点 释放拉簧
脱扣连杆
锁钩连杆
F过
流
脱
扣 器
欠 压
5.1.2 电气原理图的绘制
继电接触控制线路由一些基本控制环节组成。
电Hale Waihona Puke 技术中所绘制的控制线路图为原理图， 它不考虑电器的结构和实际位置，突出的是电 气原理。属同一电器元件的不同部分，可画在 不同的电路中，但必须标注相同的文字符号
电器自动控制原理图的绘制原则及读图方法：
将电动机接到电源的任意两根线对调一下， 即可使电动机反转。
需要用两个接触器来实现这一要求。 当正转接触器工作时，电动机正转； 当反转接触器工作时，将电动机接到电源的任 意两根联线对调一下，电动机反转。
A BC
S FU
KM1
M 3~
KM2
1）电气控制原理图
“联锁”触点
2）工作分析
. . SB
SB1
1. 点动控制电路
1）接线示意图 2）工作分析
3）电气控制原理图
2. 直接起动单向连续运转控制电路
1)接线示意图
S
FU
SB2 SB1
KM
FR
M 3~
2) 工作分析
①、起动
S
SB2
SB1
FU
KM
FR
Mn
3~
吸合后自锁
②、停止
S
SB1
FU
SB2
KM
FR
Mn
3~
3) 电气控制原理图
S FR
FU